基于宫颈癌细胞体外实验的不可逆电穿孔统计学建模及其参数优化
发布时间：2020-04-08 00:40
【摘要】：不可逆电穿孔(IRE)是一种新型的肿瘤消融技术,它通过高压脉冲反复刺激细胞,诱导细胞膜上产生许多不可逆的小孔,进而导致细胞死亡,从而达到消除肿瘤的目的。由于实际消融区域是不均匀的,会导致肿瘤组织再生复发。计算机模型可以作为一种IRE治疗效果的预测手段为实际临床治疗提供指导和方案设计,以防止肿瘤因未完全消除而产生的复发。然而以往的模型主要是基于IRE阈值理论建立的,精度不高且不能反映实际消融过程,限制了仿真结果对临床的指导意义。为了解决这一问题,本课题致力于针对宫颈癌组织建立一种精度更高的IRE治疗效果预测模型以提高计算机模型对临床手术的指导意义。本文的主要研究内容为:(1)利用宫颈癌细胞IRE体外实验,首先确定一种有效的测量宫颈癌细胞活率的方法,然后利用实验数据和修正的Peleg模型建立宫颈癌组织的IRE统计学模型。(2)将建立的IRE统计学模型与现有的IRE阈值模型进行对比,论证IRE统计学模型的优越性。(3)基于IRE统计学模型在COMSOL中建立三维宫颈癌组织模型,运用响应曲面法对脉冲电压和电极针的结构(针间距离,针的个数和针的有效长度)进行优化。研究结果表明:(1)IRE施加后培养4个小时再对细胞进行台盼蓝染色,能够准确测量出宫颈癌细胞活率。(2)相对于IRE阈值模型,本文建立的IRE统计学模型在反映IRE消融效果方面更为精确和全面。(3)相对于三电极针和四电极针,两电极针能够同时实现最大面积的消融区域和最小的正常组织损伤,且两电极的消融区域圆度更高,可控性更好。
【图文】：
形成机理的描述主要有电场模型和能量模型两种。逡逑利用拉普拉斯方程可以描述一个拥有非导电膜的独立球形细胞在外部电场下周逡逑围的电势分布［２１］，如图２．１所示，并可以通过以下方程求出跨膜电压（ｔ／）：逡逑Ｕ邋＝邋ｆ邋？邋ｒ邋？邋Ｅｅｘｔ邋？邋ｃｏｓ邋Ｇ邋？邋（１邋—邋ｅ—；）逦（２－１）逡逑Ｔ邋＝逦？（＊邋＋邋＊）逦（２－２）逡逑其中／■代表细胞的半径，０是细胞膜上目标位置的法线方向与外加电场４ｍ方向的逡逑夹角，ｆ是一个反应细胞密度（细胞半径与细胞间距的比率）的影响系数，细胞膜充电逡逑时间常数由细胞膜电容（＾确定，，巧和分别为细胞内和细胞外的电导率［２２＿２４］。根据此逡逑模型，对于一个典型的半径ｌＯ＾ｉｍ的真核细胞，要达到ＩＶ的跨膜电压需要６６７Ｖ／ｃｍ的逡逑外加电场［２５］，而一旦达到ＩＶ的跨膜电压细胞膜就会出现穿孔现象。逡逑Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑，、厶卜．逦ｒｃｓｃａｉｓ逡逑＋逦－逦？十邋一邋0０逡逑0０逦！逦＼逦＾逦？■逦Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＇逦ｐｅｒｎ—逡逑；＼逦ｆ逦ｒ）０逡逑ＩＪ逦＼邋／逡逑Ｉ－＼ｌｃｍａｌ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋Ｅｅｘｌ逦逦』——－——逡逑／？＊逡逑图２．１电穿孔的消融原理图—逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ａｂｌａｔｉｏｎ＾２１】逡逑在早期的研究中，有人提出孔的产生是由于外界电场的压力所致［２６］。然而，根据这逡逑个模型每个特定的细胞类型都有一个确定性的阈值
其中Ａ￡（／？，（；）是产生半径为的孔的自由能，Ａ和ｃｔ分别是膜的边缘线张力和表面张逡逑力，ａ代表水和脂质介电常数的比值。这个模型考虑了外加电场和膜的内在物理性质（如逡逑线张力和表面张力）的因素，这些因素也会影响电穿孔的结果［２９１，如图２．２所示。此外，逡逑该理论模型可以用［３（）１和［３１１中所述的公式来估算孔形成速率。逡逑ａ邋￣邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ逦Ａ邋ＡＥ逡逑Ａ邋￣邋Ｅｄｇｅ邋ｌｉｎｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ逦／？？逡逑图２．２基于能量的电穿孔模型的影响因素％逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ邋ｆａｃｔｏｒｓ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ－ｂａｓｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅｌｔ２９１逡逑２．１．２不可逆电穿孔致死机理逡逑国外已经有很多文章涉及到有关电穿孔致死机理的研究［３２￣３３］。然而由于时间周期和逡逑成像方法空间分辨率的限制，瞬态孔形成过程的直接可视化一直难以实现。通过使用电逡逑子显微镜（ＥＭ），邋Ｃｈａｎｇ等人能够从快速冰冻电穿孔样品中观察到“孔状”结构，如图逡逑２．３ａ所示。因为直接形成的孔是很难观察到的，所以可以通过间接观测法来观察孔的变逡逑化。例如，电导率的快速变化可以用来反映膜通透性的变化，所以可以用来判定孔的出逡逑现［３４１。染料摄取和细胞的体积响应（图２．３ｂ）ｆｃ被用于评估电穿孔期间孔形成的依据［３５］。逡逑■邋■■■■逡逑Ｔ＝？０．５ｍｓ逦Ｔ＝３ｍｓ逦Ｔ＝４０ｍｓ逦Ｔ＝Ｓｓ逦Ｔ＝１０ｓ逡逑（ａ）逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逡逑ｂｏ＇ｂ逡逑ｉｆ逦—逦篆逡逑？f牵ｅ义希ǎ猓╁义贤迹玻车绱┛
本文编号：2618626
【图文】：
形成机理的描述主要有电场模型和能量模型两种。逡逑利用拉普拉斯方程可以描述一个拥有非导电膜的独立球形细胞在外部电场下周逡逑围的电势分布［２１］，如图２．１所示，并可以通过以下方程求出跨膜电压（ｔ／）：逡逑Ｕ邋＝邋ｆ邋？邋ｒ邋？邋Ｅｅｘｔ邋？邋ｃｏｓ邋Ｇ邋？邋（１邋—邋ｅ—；）逦（２－１）逡逑Ｔ邋＝逦？（＊邋＋邋＊）逦（２－２）逡逑其中／■代表细胞的半径，０是细胞膜上目标位置的法线方向与外加电场４ｍ方向的逡逑夹角，ｆ是一个反应细胞密度（细胞半径与细胞间距的比率）的影响系数，细胞膜充电逡逑时间常数由细胞膜电容（＾确定，，巧和分别为细胞内和细胞外的电导率［２２＿２４］。根据此逡逑模型，对于一个典型的半径ｌＯ＾ｉｍ的真核细胞，要达到ＩＶ的跨膜电压需要６６７Ｖ／ｃｍ的逡逑外加电场［２５］，而一旦达到ＩＶ的跨膜电压细胞膜就会出现穿孔现象。逡逑Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑，、厶卜．逦ｒｃｓｃａｉｓ逡逑＋逦－逦？十邋一邋0０逡逑0０逦！逦＼逦＾逦？■逦Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＇逦ｐｅｒｎ—逡逑；＼逦ｆ逦ｒ）０逡逑ＩＪ逦＼邋／逡逑Ｉ－＼ｌｃｍａｌ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋Ｅｅｘｌ逦逦』——－——逡逑／？＊逡逑图２．１电穿孔的消融原理图—逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ａｂｌａｔｉｏｎ＾２１】逡逑在早期的研究中，有人提出孔的产生是由于外界电场的压力所致［２６］。然而，根据这逡逑个模型每个特定的细胞类型都有一个确定性的阈值
其中Ａ￡（／？，（；）是产生半径为的孔的自由能，Ａ和ｃｔ分别是膜的边缘线张力和表面张逡逑力，ａ代表水和脂质介电常数的比值。这个模型考虑了外加电场和膜的内在物理性质（如逡逑线张力和表面张力）的因素，这些因素也会影响电穿孔的结果［２９１，如图２．２所示。此外，逡逑该理论模型可以用［３（）１和［３１１中所述的公式来估算孔形成速率。逡逑ａ邋￣邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ逦Ａ邋ＡＥ逡逑Ａ邋￣邋Ｅｄｇｅ邋ｌｉｎｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ逦／？？逡逑图２．２基于能量的电穿孔模型的影响因素％逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ邋ｆａｃｔｏｒｓ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ－ｂａｓｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅｌｔ２９１逡逑２．１．２不可逆电穿孔致死机理逡逑国外已经有很多文章涉及到有关电穿孔致死机理的研究［３２￣３３］。然而由于时间周期和逡逑成像方法空间分辨率的限制，瞬态孔形成过程的直接可视化一直难以实现。通过使用电逡逑子显微镜（ＥＭ），邋Ｃｈａｎｇ等人能够从快速冰冻电穿孔样品中观察到“孔状”结构，如图逡逑２．３ａ所示。因为直接形成的孔是很难观察到的，所以可以通过间接观测法来观察孔的变逡逑化。例如，电导率的快速变化可以用来反映膜通透性的变化，所以可以用来判定孔的出逡逑现［３４１。染料摄取和细胞的体积响应（图２．３ｂ）ｆｃ被用于评估电穿孔期间孔形成的依据［３５］。逡逑■邋■■■■逡逑Ｔ＝？０．５ｍｓ逦Ｔ＝３ｍｓ逦Ｔ＝４０ｍｓ逦Ｔ＝Ｓｓ逦Ｔ＝１０ｓ逡逑（ａ）逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逡逑ｂｏ＇ｂ逡逑ｉｆ逦—逦篆逡逑？f牵ｅ义希ǎ猓╁义贤迹玻车绱┛
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